페로브스카이트 산화물에서 코발트철(CoFe) 나노입자 합금 용출 과정. (울산대 제공)

울산대학교는 정지원 첨단소재공학부교수 연구팀과 김일두·정우철 KAIST(한국과학기술연구원) 신소재공학과교수 연구팀이 대기의 산소(O2)와 아연(Zn)을 전극재로 사용한 '고효율 수계 아연-공기 전지'를 개발했다고 11일 밝혔다.

공동 연구팀은 용출(exsolution) 현상을 통해 고성능, 저가격 페로브스카이트 산화물을 개발해 수계 아연-이온전지에 활용했다.
  
기존 아연-공기전지의 방전과 충전은 효율 향상을 위해 백금(Pt)·루테늄(Ru)·이리듐 산화물(IrO2) 등 비싼 귀금속 촉매를 활용할 수밖에 없어 고가격·저내구성의 단점으로 활용이 크게 제한됐다.
  
이번 연구는 기존 귀금속 기반 촉매들을 대체하고자 저가격의 금속원소들이 포함된 고내구성 페로브스카이트 산화물 지지체를 성공적으로 제조한 것으로, 일반적인 금속촉매 코팅법과는 달리 용출법을 활용했다.
  
일반적으로 활용되는 금속촉매 코팅법은 아연-공기전지의 반복적인 충·방전 구동에 따라 지지체로부터 쉽게 탈착돼 사용시간이 지날수록 내구성과 촉매효율이 급격히 저하된다.연구팀은 이같은 문제를 해결하기 위해 추가적인 금속의 첨가 없이 페로브스카이트 산화물 내에 있는 금속원소들을 용출시켜 표면에 단단하게 결착시켰다.

이를 통해 아연-공기전지의 충·방전 효율성과 내구성을 높이는 금속 나노입자의 균일 분포가 가능하다는 것을 밝혔다.

페로브스카이트 산화물(ABO3)은 A와 B 두 공간에 금속원소가 포함돼 있다. 이번 연구의 주요 성과는 A 공간 금속원소의 구조를 제어함으로써 효과적으로 B 공간의 금속이 용출될 수 있음을 보인 것이다.
  
연구팀은 500도에서는 B 공간에서 단일금속이, 600도에서는 B 공간에서 두 종류로 구성된 합금이 용출되며 700도 이상에서 모든 구조가 무너지는 것을 발견했다.
  

기존 페로브스카이트 기반 전극재와 이번 연구로 개발한 전극재의 내구성 및 효율 비교 그래프(왼쪽부터), 전극재를 활용한 소형 디바이스 구동 과정. (울산대 제공)

연구팀은 해당 실험을 통해 용출 현상으로 표면에 단단하게 부착된 금속원소가 페로브스카이트 산화물의 촉매 효율성을 높인다고 검증한데 이어 금속 합금-페로브스카이트 하이브리드 전극재를 개발해 아연-공기전지에 최초로 활용했다.
  
개발된 페로브스카이트 산화물 전극재는 아연-공기전지 내에서 1500시간이 넘는 반복 구동에도 촉매효율이 유지되는 초고내구성을 보였다. 이는 현재까지 개발된 페로브스카이트 기반 전극재 중 최고 내구성을 가진 것이다.정지원 교수는 "이번 연구로 개발한 초고내구성 페로브스카이트 산화물 기반 전극재는 아연-공기전지 실용화에 크게 기여할 것"이라며 "후속 연구를 통해 저가격화·대면적화를 위한 기술적 보완과 양산화에 집중하겠다"고 전했다.
  
이번 연구 결과는 환경공학분야 학술지 '어플라이드 카탈리시스 B: 환경 분야'에 게재됐으며 관련 특허 출원을 완료했다.


minjuman@news1.kr